Come funziona il display LCD?

Per illustrare in modo esauriente il funzionamento dell'LCD, ne spiegheremo la struttura e poi la collaborazione di ciascuna parte per creare i colori.

I. Che cos'è l'LCD?

Citazione da Wikipedia "Un display a cristalli liquidi (LCD) è un display a schermo piatto o un altro dispositivo ottico modulato elettronicamente che utilizza le proprietà di modulazione della luce dei cristalli liquidi combinate con polarizzatori. I cristalli liquidi non emettono luce direttamente, ma utilizzano una retroilluminazione o un riflettore per produrre immagini a colori o monocromatiche"

Esistono diversi tipi e configurazioni di display LCD, la maggior parte dei quali sono progettati nello stesso modo di base con una struttura simile. Ma non tutti sono in grado di visualizzare il colore.

Dato che l'LCD a colori è il tipo più diffuso nel mercato attuale, quando cerchiamo di rispondere alla domanda, partiamo dal display a colori per scoprire "come fa il display a cristalli liquidi a creare immagini a colori?"

Il TFT-LCD è il principale LCD a colori, noto anche come display a matrice attiva.

Iniziamo il viaggio.

Per fornire un'illustrazione completa del funzionamento dell'LCD, spiegheremo prima la struttura e poi la collaborazione di ogni parte per creare l'immagine a colori.

II. Struttura e 5 strati chiave dell'LCD

Il display LCD è composto principalmente da 5 unità

● BLU (unità di retroilluminazione)

pOL (polarizzatore)

pannello LCD (Liquid Crystal Display)

iC (Circuito integrato)

fPC (Circuito stampato flessibile)

La figura 2 mostra il diagramma della struttura del modulo TFT-LCD. Presentiamo brevemente le funzioni principali di ciascun modulo sul display.

(1) BLU (unità di retroilluminazione)

L'unità di retroilluminazione è uno dei componenti chiave del display LCD. È costituita da più strati di fogli ottici e dalla sorgente luminosa.

Il ruolo dell'unità di retroilluminazione è quello di fornire una luminosità sufficiente e distribuire uniformemente la sorgente luminosa al pannello LCD, dato che le molecole di cristallo liquido non possono emettere luce da sole.

Normalmente, la sorgente luminosa è costituita da strisce di LED, per cui viene chiamata anche retroilluminazione a LED.

La qualità della retroilluminazione determina alcune importanti caratteristiche del display, come la luminosità, l'uniformità della luce in uscita e il livello di colore dello schermo LCD. In generale, il BLU determina in larga misura l'effetto luminoso dello schermo LCD.

(2) POL (polarizzatore)

Il polarizzatore serve a convertire la luce naturale non polarizzata in luce polarizzata e a controllare quali modelli di luce possono passare attraverso il pannello LCD

Senza questi filtri, le immagini visive generate dal pannello LCD hanno scarse prestazioni in termini di rapporto di contrasto.

(3) IC (Circuito integrato)

Un circuito integrato (IC) è un dispositivo su chip che consiste in un insieme di circuiti integrati.

Viene utilizzato per regolare e controllare la fase, il valore di picco, la frequenza e altri parametri dei segnali potenziometrici sull'elettrodo trasparente, per stabilire il campo elettrico di pilotaggio e infine per realizzare le informazioni visualizzate sullo schermo.

(4) FPC (circuito stampato flessibile)

FPC è l'abbreviazione di circuito stampato flessibile.

Collegando il pannello LCD, l'FPC può realizzare il principio di funzionamento del circuito e produrre l'interfaccia che la scheda madre deve abbinare, in modo che l'LCD possa funzionare dal punto di vista elettrico.

(5) Pannello LCD (display a cristalli liquidi) / Strato cellulare

Lo strato di celle è un imballaggio di cristalli liquidi incorporato tra due substrati di vetro, un substrato di vetro superiore con il filtro colore (CF) e un substrato di vetro inferiore con l'array di transistor a film sottile (TFT-Array).

È chiamato anche pannello LCD ed è un'unità essenziale del display a colori.

Il substrato TFT è in grado di controllare con precisione la tensione dei pixel su questo lato. È la tensione del pixel applicata al cristallo liquido che controlla la rotazione del cristallo liquido.

Sul substrato CF, un pixel è diviso in tre sottopixel: rosso (R), verde (G) e blu (B).

Il cristallo liquido (LC), che funge da valvola di luce, regola la quantità di luce dei tre colori primari RGB che passa attraverso il substrato CF e consente di ottenere la visualizzazione del colore desiderato.

Per creare un'immagine, tutti gli strati di cui sopra devono collaborare come un'orchestra.

III. Funzionamento dell'LCD

L'LCD è un prodotto di optoelettronica

Possiamo avere una visione generale del funzionamento dell'LCD sia dal punto di vista ottico che elettrico.

(1) Principio di funzionamento optoelettronico dell'LCD

► Prospettiva ottica

la luce può essere suddivisa in diverse direzioni di polarizzazione.

le luci con diverse direzioni di polarizzazione passano attraverso il cristallo liquido e si formano percorsi ottici diversi.

dopo che la luce viene ricombinata attraverso questa differenza di percorso ottico, cambia la forma della sua polarizzazione.

con il polarizzatore che blocca la luce in una determinata direzione di polarizzazione, è possibile determinare la trasmittanza della luce.

prospettiva elettrica

in presenza di tensioni diverse, i cristalli liquidi presentano disposizioni diverse.

le diverse disposizioni dei cristalli liquidi causano differenze di percorso ottico, con conseguente variazione della trasmittanza.

in questo modo il segnale video (elettricità) può essere convertito in un display chiaro e scuro (luce).

(2) Processo di funzionamento del display LCD

Vediamo come ogni strato collabora all'interno per realizzare il display a colori.

molecole di cristalli liquidi

il cristallo liquido utilizzato nel TFT-LCD è di tipo TN (Twist Nematic), come mostrato nella figura 3.

le molecole di cristallo liquido sono ellittiche; i cristalli liquidi di tipo TN sono generalmente collegati in serie lungo la direzione dell'asse lungo e gli assi lunghi sono disposti in parallelo tra loro.

③ Quando toccano la superficie scanalata, le molecole di cristallo liquido si allineano parallelamente lungo le scanalature, come mostrato nella figura 4.

quando il cristallo liquido è contenuto al centro delle due superfici scanalate (figura 5) e le direzioni delle scanalature sono perpendicolari l'una all'altra, le molecole di cristallo liquido si dispongono come segue:

● Molecole sulla superficie inferiore: lungo la direzione "b"

molecole sulla superficie superiore: lungo la direzione "a"

molecole intermedie: si genera l'effetto di rotazione, per cui le molecole di cristallo liquido ruotano di 90° tra le due superfici scanalate.

effetti della luce e delle molecole di cristallo liquido

quando la luce polarizzata linearmente entra nella superficie scanalata superiore, anche la luce ruota insieme alla rotazione delle molecole di cristallo liquido, in modo che la luce possa passare.

② Quando la luce polarizzata linearmente esce dalla superficie scanalata sottostante, la luce ha già compiuto una rotazione di 90°, come mostrato nella figura 6.

polarizzatore

filtra la luce non polarizzata (luce generale) in luce polarizzata linearmente;

quando la luce non polarizzata passa attraverso il polarizzatore di direzione "a", la luce viene filtrata in luce linearmente polarizzata parallelamente alla direzione "a";

③ La luce polarizzata linearmente continua a muoversi in avanti (figura 7), e

se passa attraverso il polarizzatore nella stessa direzione (a), la luce passa;

se la luce passa attraverso il polarizzatore nella direzione b, la luce viene completamente bloccata.

(3) Effetto ottico nella combinazione di polarizzatori, superfici scanalate e cristalli liquidi

Quando i polarizzatori superiore e inferiore sono perpendicolari l'uno all'altro: ● la luce passa attraverso il polarizzatore

se non viene applicata la tensione di alimentazione, la luce può passare attraverso i polarizzatori, come mostrato in figura 8.

se viene applicata la tensione di alimentazione, la luce viene completamente bloccata (figura 9). Poiché le molecole di cristallo liquido si raddrizzano dal loro schema elicoidale e smettono di reindirizzare l'angolo della luce, la luce non può passare attraverso il filtro inferiore.

(4) Creazione di immagini tramite TFT-LCD

il circuito integrato del driver di scansione (noto anche come circuito integrato del driver del gate) trasmette i segnali di scansione e completa l'ingresso del segnale di immagine;

② Il circuito integrato del driver dei dati (noto anche come circuito integrato del driver della sorgente) trasmette i segnali di controllo dell'immagine e controlla gli interruttori TFT:

se un sub-pixel è acceso, il sub-pixel appare nero perché non può trasmettere la luce.

se il sub-pixel è spento, il colore viene visualizzato perché la luce passa attraverso il filtro colore (CF).

③ Dopo aver attraversato il CF, viene generata la luce rossa, verde e blu, che passa infine attraverso il polarizzatore superiore.

con l'effetto di sintesi della luce, si formano e si visualizzano diversi colori (figura 10 e 11).

Ora abbiamo terminato il nostro viaggio sul funzionamento di un LCD e su come il display crea un'immagine a colori.

Se volete saperne di più sulle caratteristiche specifiche dei TFT-LCD, potete leggere gli articoli correlati: Cosa sono gli LCD a matrice attiva e i TFT-LCD?